摘要
在过去的十年中，非富勒烯电子受体作为有机太阳能电池中传统富勒烯电子受体的替代品，由于具有低成本、轻质、易于大面积制造等优点，已经成为了发展最为迅速的领域之一。长期以来得益于共轭聚合物供体的快速发展，富勒烯衍生物PC61BM一直被用作主要的电子接受材料。但它也一直受制于太阳光谱吸收率低，制备和纯化成本高以及富勒烯形态不稳定等固有缺陷，这限制了有机太阳能电池器件效率的进一步提升。因此，研究人员一直尝试寻找富勒烯衍生物的可用替代品，即非富勒烯电子受体材料。目前，基于最新的非富勒烯电子受体的单结有机太阳能电池器件的最佳光电转换效率已超过18%，已存在商业化应用的可能。 在构建非富勒烯电子受体的各种类型的吸电子单元中，苝酰亚胺（PDI）及其衍生物一直受到了广泛关注。这一系列的材料一般都具有良好的光吸收，高电子迁移率和好的化学稳定性，因此成为构建电子受体的重要结构单元。但是，正如一系列文献所报道的，基于苝酰亚胺的受体存在共平面性好、结晶性强、薄膜相分离严重的固有缺陷，需要在自聚集特性和电荷传输性能之间寻找平衡，这是实现高性能有机太阳能电池的主要障碍。为了解决这一问题，一种策略是构建扭曲的三维分子几何结构，这将有利于破坏分子间的强聚集行为以实现恰当的相分离。但是，过度扭曲的三维苝酰亚胺分子将减弱分子间的Π-Π相互作用，导致低结晶度，影响电荷传输性能。另一种方法是通过将两个苝酰亚胺单元与碳桥融合来构建稠环苝酰亚胺(FPDI)单元，可以达到平衡内部相互作用和分子聚集行为的理想效果。稠环苝酰亚胺具有准二维结构，即两个平面基团之间具有约25°的扭曲角，可以保证器件活性层中恰当的聚集和相分离行为，从而使非富勒烯太阳能电池获得令人满意的效率。 在本课题中，我们首先引入具有空间位阻结构的螺芴吖啶（SPAc）单元与苝酰亚胺连接，制备了一种D-A型小分子电子受体PDI-SPAc，再将苝酰亚胺单元用稠环苝酰亚胺单元替换，制备了一种D-A型受体FPDI-SPAc。SPAc单元可以有效减弱受体分子的自聚集，并增强近紫外波段的光吸收。稠环苝酰亚胺单元的准二维分子结构可以有效增强共混膜中的电荷传输。由于具备互补的光吸收区域，匹配的能级和良好的形貌，基于PTB7-Th：FPDI-SPAc的器件实现了3.92％的高光电转换效率，0.72V的开路电压，12.4mA/cm2的短路电流密度和43.76％的填充因子；而基于PTB7-Th：PDI-SPAc的器件仅得到了0.32％的效率。这个结果表明，稠环苝酰亚胺单元在设计高性能非富勒烯受体方面有很大的潜力。 为了进一步验证稠环苝酰亚胺基电子受体的出色性能，我们将两个苝酰亚胺单体通过碳碳单键连接到它两端的港湾位上，设计并制备了一种新的A-A-A型稠环苝酰亚胺基小分子非富勒烯受体材料FPDI-2PDI。基于PTB7-Th:FPDI-2PDI的有机太阳能电池器件获得了5.30%的最佳光电转换效率，0.74V的开路电压，11.49mA/cm2的短路电流密度和62.35%的填充因子，相比于PTB7-Th:PDI-SPAc和PTB7-Th:FPDI-SPAc器件的光电转换效率已经获得了极大的提升。基于PBDB-T:FPDI-2PDI的器件获得了最佳效率为5.09%，其开路电压提升到了0.78V，填充因子提升到了65.31%，但短路电流下降到了10.08mA/cm2。两种器件的填充因子都尤为出色，已经接近了基于苝酰亚胺的非富勒烯太阳能电池的最佳水平。 这些实验结果表明，具有准二维结构的稠环苝酰亚胺单元对于分子间相互作用、电荷传输性能和器件光伏性能都具有重要影响，这有待进一步探索和应用。
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